磁致伸縮位移傳感器是利用磁致伸縮材料的威德曼 (W iedeman)效應和威拉里 (V illary)效應實現位移的測量 ,它具有量程大、非接觸、精度高、速度快、防護等級高、成本低等特性 ,因而廣泛應用于機械、建筑、機床等行業。國外量程高達 18m的磁致伸縮位移傳感器精度可達 0. 025 % FS或01508 mm,并且可同時測量位移、液位、溫度、等多個參數 ,形成了系列產品 。由于這種傳感器是依靠電磁信號工作的 ,因此不可避免地受到空間電磁場的電磁干擾的影響 ,從而使得檢測線圈中引入各種不同規律的干擾信號 (即電噪聲 ) 。另一方面 ,波導絲本身受到激勵后將產生隨機振動 ,也會導致電噪聲信號的產生。因此 ,降低噪聲是磁致伸縮位移傳感器必須解決的問題。目前大多數是采用電路處理技術來減小噪聲影響 ,提高測量精度和穩定性。
這種方法的問題是沒有從信號源頭處提高信噪比,因而降低噪聲的效果大大削弱。而且電路變得很復雜 ,調整困難 ,很難進一步提高精度。本文針對現有技術的不足 ,提出一種雙絲差動結構型式的磁致伸縮位移傳感器 ,采用的差動結構形式和磁屏蔽技術 ,不僅可以直接降低感應組件輸出信號的噪聲 ,提高原始測量信號的信噪比 ,提高抵抗空間電磁場干擾的影響 ,而且可以在很大程度上削弱傳感器內部干擾與誤差的影響 ,縮短死區 ,提高測量的精度 ,結構簡單 ,易于實現。
1、傳感器結構及工作原理
傳感器由法蘭、連接導線、雙波導絲、感應線圈、骨架、屏蔽器、保護套管、磁鐵組件、外殼、阻尼器、連接線、固定塊和測量電路幾個部分組成。在每根波導絲的同側端部分別設有感應線圈 ,感應線圈纏繞在高穩定性骨架上 ,屏蔽器分別包圍在感應線圈外部 ,波導絲穿過骨架內孔 ,兩端分別與連接導線電氣連接 ,在波導絲的另一側端部則分別設有阻尼器并用連接線相連。
由測量電路產生的激勵脈沖通過連接導線加載到波導絲上 ,激勵脈沖同時伴隨產生一個垂直于波導絲的環形磁場以光速沿波導絲傳遞 ,當激勵脈沖環形磁場與磁鐵組件固有磁場相遇 ,二者的磁場矢量相疊加形成螺旋磁場 ,產生瞬時扭力并在波導絲上形成一個機械扭力波以聲速傳遞返回到兩端的感應線圈 ,使各自的線圈兩端產生感應脈沖 ,在另一端則被阻尼器所吸收。通過測量出激勵脈沖與扭力波返回產生的感應脈沖之間的時間差 ,就可以準確地計算出磁鐵組件的位置 ,從而可以實現定位磁鐵組件位移大小的測量。
2、雙絲差動式感應線圈的設計
本設計的之處在于采用了雙絲差動型式的設計。每個傳感器內都設有兩根等同的波導絲 6,這兩根波導絲是平行排列的 ,在每根波導絲 6的同側端部則分別設有感應線圈 14和感應線圈15,這里感應線圈 14和感應線圈 15的形狀、大小、匝數等參數和繞法是一樣的。感應線圈 14的頭 16和感應線圈 15的頭 18經線圈連接導線 2電氣連接 ,感應線圈 14的尾 17和感應線圈 15的尾 19則連接至測量電路 13。由于激勵電流在感應線圈 14和感應線圈 15中的波導絲內的流向是相反的 ,因此感應出的脈沖 U1 和脈沖 U2 極性也相反 ,又因為兩個感應線圈是反向串聯連接在一起 ,即構成差動形式 ,因此總的 輸出信號 U是兩個感應線圈信號相減 ,總的信號強度是每個感應線圈輸出信號 U1 或 U2 的兩倍。由于兩個感應線圈中存在的來自外部空間的電磁干擾和內部電源波動、波導絲 6振動等因素產生的噪聲信號是相同的 ,因此在總的信號中上述干擾與噪聲顯著降低 ,從而達到提高精度的目的 。
另外 ,為了在線圈組件周圍空間形成一個強大而穩定的直流內部磁場 ,我們采用了特殊的屏蔽器 ,它不是采用常規的導磁性材料制成 ,而是直接采用磁性材料制成 ,即屏蔽器本身就是一個磁鐵 ,這樣可以有效地抵抗外來空間電磁干擾 ,也可以抵抗傳感器的磁鐵組件靠近線圈組件時對線圈產生的影響 ,從而縮短死區長度。另一方面 ,該屏蔽器采用圓環形狀 (因此可稱為磁環 ) ,磁極分布在兩段位置 ,從而在磁環內部形成與磁環軸線平行的穩定磁場 。該磁場可以對波導絲被磁環包圍的部分產生磁化 ,從而有益于改善線圈中感應信號的質量。在磁環外部包圍有一個鐵磁材料制成的保護套 ,可以防止磁場外泄 ,對其它部件產生影響。
3、與傳統單線圈之間的精度比較
在基本電路及各種外部條件均相同的情況下 ,我們通過實驗對比雙絲和單絲兩種結構的線圈的優劣。
3. 1 傳感器電路系統
MSP430的定時器模塊可產生占空比和周期可調的控制脈沖 S1 ,經過功率放大后驅動波導絲 ;感應線圈接收到磁致伸縮效應產生的微弱回波信號 ,經過差動放大和濾波后 ,通過比較器將其整形為感應脈沖 S2 ;時間測量電路中先將控制脈沖 S1 和感應脈沖 S3 整合成與扭轉波在波導絲中傳播時間成正比的 PWM信號 ,再通過計數法測量出 PWM信號的寬度 ,即可得到相應位移值。所設計的傳感器輸出信號為 0 - 10V標準模擬電壓。
3. 2 傳感器電路信號測試比較
個和第二個信號分別為激勵信號和感應到的磁致伸縮扭轉波信號 ,雙絲結構所激發的激勵信號具有左右對稱的兩個波峰 ,是區分單雙絲結構的一個明顯標志。兩圖中第二個信號后面的毛刺是扭轉波信號經過傳感器末端反射而形成感器組件末端的阻尼器無法將扭轉波信號吸收 ,而會產生二次甚至多次的回波震蕩。
激勵信號和回波感應型號都具有較大的幅值 ,特別是回波感應信號 ,起幅值較前者明顯增大 ,而后面諧波噪聲的幅值相應的卻減小 ;相對于二次諧波 ,屬于干擾信號 ,成因是實驗裝置中傳用信號幅值較小 ,諧波的幅值比較大 ,接近有用信號的幅值 ,對濾波和有用信號的提取造成一定困難 ,很容易直接影響到傳感器的有效輸出。因此 ,雙線圈差動結構對于有效的抑制回波噪聲 ,提高傳感器信號的信噪比起到了積極的作用 ,有利于有效信號的檢測和拾取 。
3. 3 傳感器精度測試比較
為盡量準確地測量傳感器精度 ,我們采用球柵帶動測量元件 —磁鐵 ,測量橫向位移 ,球柵分辨率為0. 005 mm。在傳感器量程范圍內 ,移動磁鐵組件 ,每隔 5 cm記錄一組數據。
在量程范圍內傳感器的輸出模擬電壓信號的誤差曲線。該誤差的形成原因主要有 :波導絲中遇阻尼器反射回的扭轉波信號的干擾作用 ;溫度的變化會使扭轉波傳播速度發生變化 ;波導絲材料的均勻性、波導絲表面的光滑度等。
輸出信號誤差約為0. 0071 V,換算成位移約為 0. 21 mm,相對誤差為±0. 071 %;輸出信號誤差約為 0. 003 3 V,相對誤差為 ±0. 032 % ,遠遠小于雙絲差動時的誤差。由此可以看出 ,雙絲差動結構的測量精度遠遠高于單絲時 ,這是因為差動結構在原理上就很好的抑制了震蕩回波的干擾 ,同時起到了溫度補償的作用 。
3. 4 信號穩定性比較
信號的時間軸向抖動是影響信號質量的關鍵因素。 抖動的大小一般在 20 ns～200 ns左右 ,抖動越小 ,信號的穩定性越好。抖動一般主要是由于電源紋波和經過二次反射存留在波導絲中的扭轉機械波造成的 ,當抖動超過 100 ns時會嚴重影響精度。
但是經過對信號的分析 ,我們發現抖動的大小和回波信號上升沿斜率的大小之間存在一定線性關系。在不同的感應幅值下我們分別用單絲結構組件和雙絲結構組件測得兩組信號抖動的數據。分析數據 ,我們發現的抖動的值與回波信號上升沿斜率的存在一種近似線性的關系。
可以看出 ,回波信號上升斜率是影響調寬信號抖動的主要原因 ,它使信號幅值的波動對結果產生影響 ,斜率越大 ,抖動越小 ,越穩定 ,對比單雙絲的情況 ,在斜率相同的情況下 ,雙絲的抖動總體來說要小一些 ,線性關系也更明顯 ;綜合比較 ,雙絲的穩定性要更好。
4、結論
本文針對現有單波導絲磁致伸縮傳感器技術上的不足提出了一種基于雙絲差動方案的磁致伸縮位移傳感器的設計 ,并通過實驗論證了該設計在抑制信號噪聲 ,增強抗力提高測量精度方面的顯著作用。本文的研究工作為磁致伸縮位移傳感器的產品化生產提供了一種實用可靠的方案 ,對磁致伸縮位移傳感器技術的研究開發具有一定的積極作用。
